Quando Yu "Alex" Liang começou a pós-graduação na Universidade do Texas em Austin, ele foi encarregado de realizar um experimento direto para coletar dados sobre um fenômeno bem conhecido na mecânica dos fluidos:como as diferenças de densidade influenciam o fluxo do fluido em um meio poroso.

É um cenário que se desenrola em uma ampla gama de problemas científicos. Na verdade, Liang estava planejando aplicar os dados experimentais em um projeto maior de sequestro de carbono. Contudo, o experimento revelou que a física que governa o fluxo não era tão estabelecida quanto os cientistas pensavam.

As descobertas revelaram que o principal motivador desse tipo de fluxo de fluido - chamado de convecção solutal - foi esquecido. O que mais, uma vez que este driver é contabilizado, ele inverte completamente os resultados de fluxo esperados.

"Até certo ponto, é uma virada de jogo, "disse Liang, que obteve seu Ph.D. em engenharia de petróleo em 2017 e agora está trabalhando para a Hilcorp, uma empresa de energia com sede em Houston. "Nossos experimentos e simulações mostram que o padrão convectivo é controlado por um processo diferente do que se pensava anteriormente. As pessoas vão perceber que existem teorias muito mais aprofundadas a serem exploradas sobre a convecção solutal em meios porosos."

Os resultados da pesquisa de Liang foram publicados na revista Cartas de pesquisadores geofísicos em setembro. Seus co-autores incluem Marc Hesse, professor associado da Escola de Geociências UT Jackson e do Instituto de Engenharia e Ciências Computacionais (ICES), David DiCarlo, professor associado do Departamento de Engenharia de Petróleo e Geossistemas da UT Hildebrand, e Baole Wen, um pós-doutorado na Jackson School e ICES. DiCarlo e Hesse são Ph.D. de Liang. conselheiros.

Por décadas, tem sido o consenso científico que o equilíbrio entre as correntes impulsionadas pela densidade e a difusão era o principal fator que controlava a convecção solutal em meios porosos. O pensamento foi:regiões de fluido denso movem-se para baixo até que a difusão elimine a diferença de densidade que conduz o fluxo, criando dedos densos que afundam. Em geral, os dedos devem estar suficientemente afastados para que a difusão não os espalhe à medida que o fluido afunda. Portanto, os dedos eram geralmente considerados mais afastados em fluxos lentos e mais próximos em fluxos rápidos impulsionados por diferenças de densidade maiores.

Apesar do padrão ser bem estabelecido em simulações de computador, Hesse disse que a equipe de pesquisa não conseguiu encontrar resultados experimentais que demonstrassem esse comportamento básico. Então, eles desenvolveram um equipamento de mesa simples - um tanque transparente cheio de contas de vidro e água - para observar a convecção solutal em tempo real. Para iniciar o processo de convecção, a água foi coberta com uma camada de metanol e etilenoglicol - uma mistura que é geralmente menos densa do que a água, mas gradualmente torna-se mais denso e afunda à medida que sofre convecção com a água na interface do fluido.

A equipe esperava que o padrão clássico de dedo estreito surgisse em experimentos que usaram contas de diâmetro maior. Em vez de, o padrão oposto completo emergiu. O espaçamento dos dedos aumentou com o tamanho do cordão.

"Aqui está este fenômeno básico, que ocorre em todos os tipos de aplicativos, é um exemplo clássico de formação de padrão - e você faz os experimentos e obtém literalmente o oposto do que todos esperam, "Hesse disse." Isso mostra que algo está totalmente errado em nosso entendimento básico desse processo. "

Uma análise mais profunda revelou que a dispersão criada pelos grânulos de maior diâmetro teve um impacto maior no ambiente convectivo do que a difusão. Embora as teorias anteriores de convecção solutal enfatizem a difusão, o espalhamento do material na água em seus experimentos acabou sendo controlado por dispersão mecânica, o que leva à mistura adicional dos fluidos na escala dos poros.

"Em outras palavras, o que você está fluindo é muito importante, "disse ele." A dispersão fica maior com o aumento do tamanho do grão, e é por isso que os dedos ficam mais largos à medida que você faz isso com contas maiores. "

Com base em suas observações do experimento de mesa, os pesquisadores foram capazes de replicar suas descobertas com um modelo computacional.

"O ponto principal é que analisamos o efeito da dispersão na convecção em subsuperfície com base em nossos dados experimentais e, em seguida, usamos simulações numéricas de alta resolução para verificar nossa análise, "disse Wen.

Claro, o mundo natural é muito mais complexo do que um tanque cheio de contas ou um modelo simplificado. Os pesquisadores disseram que os cientistas têm muitos fatores a ter em mente ao pesquisar fenômenos complexos que envolvem a convecção solutal, como o sequestro de CO2. Mas DiCarlo disse que essas descobertas mostram que os cientistas que estudam os fundamentos do processo têm alguns novos fatores a considerar.

"O trabalho mostra que se alguém quiser prever como o CO2 se dissolve na subsuperfície, ou processo de dissolução semelhante, o estudo deve incluir a dispersão da maneira correta, "ele disse." Todos os estudos anteriores ignoraram a dispersão. "

Hesse acrescentou que os resultados experimentais podem ajudar a adicionar uma dose de realidade aos modelos computacionais que estão errados há décadas.

"Se a sua simulação numérica não consegue nem simular este experimento simples que estou fazendo, que confiança você tem de que ele fará a coisa certa em um ambiente ainda mais complicado, " ele disse.